介紹了分支管測流法的實驗裝置及工作原理，其中，流量計選擇熱分布式質(zhì)量流量計。在不破壞主管道流場的情況下，通過 Fluent6.3 對管道內(nèi)的流場進行仿真分析，進一步得出分支管與主管道之間的流量關(guān)系。通過對分支管的結(jié)構(gòu)進行改造優(yōu)化，得出易于熱分布式質(zhì)量流量計測量分支管流量的分支管結(jié)構(gòu)。

一、引言

流量計量是計量科學(xué)的重要組成部分，流量測量在流體力學(xué)、工程熱力學(xué)、動力機械、空氣動力學(xué)、水利學(xué)等各相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，也廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)、科學(xué)研究以及人民生活各個領(lǐng)域之中 。目前有許多種流量計和測流方法可以測量流量 , 例如如孔板流量計、噴嘴流量計、渦輪式流量計、電磁流量計、渦街流量計、超聲波流量計等流量計和例如食鹽濃度法、差壓測流法等許多測流方法。做好流量計的研究和開發(fā)工作，對于保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、促進科學(xué)技術(shù)的發(fā)展都具有重要的意義。

上述流量計和測流方法或是安裝在管道上會引起較大的水頭損失，或是造價昂貴和測量起來比較復(fù)雜，而分支管測流法是在前人研究的基礎(chǔ)上為解決上述問題而研制出的一種測量管道流量的既可靠方便又經(jīng)濟的方法。測量同一管徑管道中的流量，分支管測量裝置的造價只有超聲波流量計或電磁流量計的百分之幾到十分之幾，而測量精度可以達到不同的使用要求。這種分支管測流法不但拓寬了分支管上小流量計的量程，而且制作成本較低，制作簡單，因此，分支管測流法具有一定的實用性。

二、分支管測流法

1、分支管測流法實驗裝置

以圖 1 為例介紹分支管測流裝置的組成，它主要由分支管道、分支管上的流量計以及連接分支管道與主管道上的密封裝置等組成。分支管測流裝置要求安裝在管內(nèi)水流較穩(wěn)定且沒有漩渦的直管段上。裝置進口側(cè)前主管道直管長度要求≥ (5~10)D、出口側(cè)要求≥ 2D。

2、分支管測流法的工作原理

分支管測流法的工作原理是：并聯(lián)管段的水頭損失相等 ( 類似于電學(xué)中并聯(lián)電路的電壓降相等 )。依此即可推導(dǎo)出主管總流量 Q 與分支管流量 q2 之間的關(guān)系式。

對于圖 l 中的 A，B 過流斷面，根據(jù)并聯(lián)管道壓力損失相等原理，可以得出以下關(guān)系式：

由流體力學(xué)有關(guān)理論和試驗證明，在主管道形式、材料都確定的情況下，當(dāng)分支管的各部分尺寸、形狀、儀表型號、組成管件及分支管伸入主管道的長度都確定時，分支管伸入主管道引起的阻力系數(shù)、主管道阻力系數(shù)和分支管道阻力系數(shù)均為近似不變的常數(shù)。因此，主管道試驗段的流量與分支管道內(nèi)的流量之間的比例系數(shù)也是近似不變的，二者之間具有一定的線性關(guān)系，則式（3）可以簡化為：

q1=cq2                              （6）

其中，c —常數(shù)，比例系數(shù)。則流過主管道的總流量可以表示為：

Q=(c+1)q2                          （7）

因此，確定比例系數(shù) (c+1)，可以得出分支管與主管道總的流量的關(guān)系。

三、分支管上的流量計

熱分布式質(zhì)量流量計由于其原理、結(jié)構(gòu)、安裝、使用簡單，而且它的耗能小、造價便宜，在此我們采用熱分布式質(zhì)量流量計。

1、熱分布式質(zhì)量流量計的原理

熱式質(zhì)量流量計是利用傳熱原理，即流動中的流體與熱源（流體中加熱的物體或測量管外加熱體）之間熱量交換關(guān)系來測量流量的儀表。

熱分布式質(zhì)量流量計的工作原理如圖 2 所示，測量管外壁中間繞著一組鎳鎘加熱絲，給管道進行加熱測量管外壁對程兩端繞著兩組長度，阻值大小都相等的銅絲作為檢測元件，組成惠斯登電橋。由恒流電源供給鎳鎘加熱斯恒定熱量，通過鎳鎘加熱斯線圈、管壁、流體邊界層傳導(dǎo)熱量給管內(nèi)流體。邊界層內(nèi)熱的傳遞可以看作是通過熱傳導(dǎo)方式實現(xiàn)的。

在流量為零時，測量管上的溫度分布如圖 3 中虛線所示，相對于測量管中心的上下游是對稱的，

由銅絲線圈和電阻組成的電橋處于平衡狀態(tài)；當(dāng)流體流動時，流體將上游的部分熱量帶給下游，導(dǎo)致溫度分布變化如實線所示，由電橋測出兩組線圈電阻值的變化，求得兩組線圈平均溫度差 T，便可按下式導(dǎo)出質(zhì)量流量 qm，即：

其中，K—儀表常數(shù)；

A—測量管繞組（即加熱系統(tǒng)）與周圍環(huán)境熱交換系統(tǒng)之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)；

Cp—被測氣體的定壓比熱容。

四、分支管模型設(shè)計

一般情況為了增大通過分支管的流量以提高試驗精度，試驗中在主管道試驗段內(nèi)會增加一個產(chǎn)生一定局部阻力的阻力環(huán)， 或者為了達到不同的量程，在流量計總體結(jié)構(gòu)確定以后，會在主管道內(nèi)安裝節(jié)流裝置。但是本文研究的內(nèi)容不希望破壞主管道內(nèi)的流場，所以不采用增加阻力環(huán)或者安裝節(jié)流裝置。

模型一（圖 4）的主管道長 200mm，內(nèi)徑為Φ48mm，分支管內(nèi)徑為 Φ4mm，接在主管道中間，距兩端分別為 50mm，分支管距主管道 20mm，拐角處為直角。

模型二（圖 5）與模型一的區(qū)別在于分支管的結(jié)構(gòu)，模型二的分支管是由半徑為 64.08mm 和 60.08mm 圓相減而得內(nèi)徑為 Φ4mm 的圓弧。

五、流場模型仿真

Fluent6.3 是一個用于模擬和分析復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動與傳熱現(xiàn)象的專用軟件，在不破壞主管道流場的情況下，本文利用 Fluent6.3 軟件對所設(shè)計的管道模型進行仿真，保證所選用管道環(huán)境符合質(zhì)量流量計所要求的流場環(huán)境，來研究不同結(jié)構(gòu)的分支管與主管道流量之間的關(guān)系。

根據(jù)研究經(jīng)驗，我們對管道參數(shù)進行了如下設(shè)計：

邊界條件設(shè)定入口流體速度分別為 1m/s，3m/s 和 6m/s，流體介質(zhì)為水，速度殘差收斂標(biāo)準設(shè)定為 0.001，迭代次數(shù)為 100，操作環(huán)境設(shè)為默認值，根據(jù)經(jīng)驗，對于管道的粘型模型采用標(biāo)準 k-ε 模型，標(biāo)準 k-ε 模型穩(wěn)定、簡單、經(jīng)濟，在較大的下程范圍內(nèi)應(yīng)用有足夠的精度。湍流參數(shù)選取湍流強度和水力直徑。

圖 6 中的 6 幅圖是通過 Fluent6.3 軟件，對所設(shè)計的管道進行仿真后的速度矢量圖。不同的顏色代表流量的不同速度。紅色為最大速度，藍色為最小速度。進口速度為最大速度，在流體經(jīng)過接分支管部分的時候，分支管內(nèi)會分走一部分流量。從圖中可以看出，圖 6(a)（對應(yīng)圖 4）設(shè)計的分支管在不安裝阻力環(huán)或者節(jié)流層的情況下，分支管內(nèi)只分走非常小的一部份流量，對于實驗測量沒有實際意義，而圖 6(b)（對應(yīng)圖 5）設(shè)計的分支管在相同情況下卻分走相當(dāng)一部份流量，這樣鮮明的對比說明在不加阻力環(huán)或者不安裝節(jié)流裝置的情況下，圖 4

設(shè)計的分支管不具備實際測量意義，而圖 5 設(shè)計的分支管在一定的流速范圍內(nèi)可以對流體流量進行測量。

六、數(shù)據(jù)對比

對上面仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)進行提取，對比兩種結(jié)構(gòu)分支管與主管道流量的關(guān)系，經(jīng)過計算可得表 1 數(shù)據(jù)。

由實驗數(shù)據(jù)可知，圖 4 設(shè)計的分支管支管流量太小，不易測量；

而圖 5 設(shè)計的分支管，支管流量明顯增大，便于測量，因此這種分支管具有實用價值。

七、結(jié)論

傳統(tǒng)的分流量質(zhì)量流量計都是通過增加阻力環(huán)或者層流組件來改變主管道的流場，從而進行測量。而本文在不破壞主管道流場的情況下，通過 Fluent6.3 軟件對管道內(nèi)的流體進行仿真，查看流體在流場內(nèi)的狀態(tài)，計算分支管與主管道之間流量的關(guān)系，從而得出不同結(jié)構(gòu)的分支管與主管道之間流量的關(guān)系，為分流量質(zhì)量流量計的應(yīng)用開辟了一種新的途徑。